CN103068002B - 一种高效的HR-WPAN Mesh网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效的HR-WPAN？Mesh网络路由方法，涉及WPAN？Mesh网络中基于拓扑服务器的路由技术。本发明提出的路由方法采用广播Link？State？Registration消息、融合Link？State？Registration消息、缩短中继节点列表长度、自适应选路发布最优路径信息和基于节点剩余能量的选路机制，解决现有基于拓扑服务器的WPAN？Mesh网络路由方法单播控制消息不能充分发布网络拓扑信息、在控制消息的数量、内容和转发路径等方面存在冗余、在多路径情况下选路时没有考虑节点能量等问题，减少控制开销，缩短建路时间，均衡节点能耗，节约网络带宽，提高路由方法的效率、时延等方面性能并延长网络寿命。<!--1-->

Description

一种高效的HR-WPAN Mesh网络路由方法

技术领域

本发明涉及无线个域网状网WPAN Mesh网络（Wireless Personal Area Networks Mesh）技术，特别涉及采用了基于拓扑服务器的路由技术、并且为网络中每个节点分配了独立标识的高速无线个域网状网HR-WPAN Mesh网络（High Rate Wireless Personal Area Networks Mesh）。

背景技术

WPAN Mesh网络是指由WPAN设备（便携式电子产品和通信设备）组成的网状无线通信网络。WPAN Mesh网络具有以下优点：不需要增加发射功率或提高接收灵敏度就可扩展网络的覆盖范围；能够通过冗余路由增加数据传送的可靠性；可以简化网络节点配置；延长节点寿命。根据应用场合的不同WPAN Mesh网络可分为HR-WPAN Mesh网络和LR(Low Rate，低速)-WPAN Mesh网络。其中，HR-WPAN Mesh网络可支持11~55Mb/s的数据率，支持新兴的多媒体应用（如视频会议）。

2009年，IEEE工作组针对WPAN提出了支持网状结构的IEEE 802.15.5标准，其中的HR-WPAN Mesh网络部分将节点分为两类：骨干节点（PNC，PicoNet Coordinator，微微网控制器）和终端节点（DEV，Device）；通常情况下骨干节点是静止、由电源供电的复杂设备，它在网络的骨干链路上用无线通信媒介取代了传统的电缆，具有便捷性；终端节点是移动的、由电池供电的精简设备，能使无线连接无处不在，扩大了网络的覆盖范围。

IEEE 802.15.5标准为HR-WPAN Mesh网络定义了一种基于拓扑服务器（topology server）的路由方法（参见文献：IEEE Std. 802. 15. 5-2009, Part 15. 5: Mesh Topology Capability in Wireless Personal Area Networks (WPANs) [S]. New York, 2009: 155-157）。在该方法中，所有节点都是MPNC（Mesh capable PicoNet Coordinator，具有mesh组网功能的微微网控制器），它们的特点是：通常静止不动且由电源供电，具有数据转发能力，可作为拓扑服务器。HR-WPAN Mesh网络中被选为拓扑服务器的节点，保存有它的子孙节点的链路状态信息，可以通过链路状态信息和最短路径算法（Dijkstra算法或Ford算法）计算出自己的子节点对之间的最优路径；而不作为拓扑服务器的节点只转发收到的消息，不对消息进行处理。

基于拓扑服务器的路由方法的工作前提是HR-WPAN Mesh网络中已经形成了网状的树结构，网状树结构中的节点周期性地采集本节点与邻居节点的链路 状态信息（如链路质量，时延、跳数等，默认为跳数），且整个网络中的所有MPNC节点都可被选作拓扑服务器节点。源节点通过访问距离源和目的节点最近的公共父节点（该公共父节点必须是通过链路状态信息的注册过程而拥有其所有子孙节点链路状态信息的拓扑服务器节点）获得到达目的节点的最优路径。

目前，对于IEEE802.15.5标准定义的WPAN Mesh网络中的路由方法，已有一些相关研究在开展。Liu等提出的路由方法（参见文献：Yong Liu, Myung-jong Lee. Optimal Path Routing Method in Wireless Network[P]. United States Patent, Patent No. 7899053B2, 2008.8.28）在基本思路上与基于拓扑服务器的路由方法一致；该方法还进一步讨论了拓扑服务器出现故障时的处理方法（在拓扑服务器的一跳邻居节点间传递路由请求消息，这些邻居节点中必有一个节点有目的节点的链路信息；在网络中布置拓扑服务器节点的备份节点）以及网络中有节点超出拓扑服务器的覆盖范围时的路由方式（在覆盖范围外用树路由）。Jung等提出了一种基于树结构的路由方法（参见文献：Ssang-Bong Jung, Hyun-Ki Kim, Soon-Bin Yim, and Tae-Jin Lee. Channel Time Allocation and Routing Algorithm for Multi-hop Communications in IEEE 802.15.3 High-Rate WPAN Mesh Networks[C]. ICCS 2007, Part IV: 457-465），其基本思想是：在设备发现过程（对应于树结构建立过程）中父PNC节点将建立到本微微网的子设备和子PNC以及子微微网里的设备的路由信息（包括目的节点地址和下一跳节点地址），同时子PNC也会建立到本微微网子设备以及它的子PNC（如果存在）的路由信息。当父PNC或子PNC节点收到数据分组时，将根据所建立的路由信息接收此包或者转发；这种方法存在PNC节点掌握网络拓扑信息不全的问题；而且它只基于树结构进行路由，没有考虑使用树中横向邻居节点之间的路由，路由不一定能达到最优。Zheng等提出一种以MAT（Meshed Adaptive Tree，网状自适应树，IEEE802.15.5标准LR-WPAN部分定义的一种树状结构）为基础的TDLS（Topology-guided Distributed Link State）路由方法（参见文献：Jianliang Zheng and Myung J. Lee. A Resource-Efficient and Scalable Wireless Mesh Routing Protocol[J]. Ad Hoc Networks, June 2007, 5(6): 704-718），其基本思想是：将MAT和DLS（Distributed Link State，分布式链路状态）信息相结合；当网络区域的节点密度较小时，节点的linkHops（用于表征Hello消息的传播跳数）值将变大（最大值为maxHops（默认值））；反之，该值变小；当每个节点建立完linkHops跳链路信息后，节点检查是否到每个邻居节点存在多条路径，如果不存在，则源节点将单播自己完整的链路信息给所有邻居节点，邻居节点收到后也将单播回自己的链路信息给源节点；这样每个节点可以了解linkHops跳范围内的链路状态信息；该路由 方法的性能对linkHops值大小较为敏感。江禹生等提出一种基于MAT的分层路由方法（参见文献：江禹生, 何芳. 改进的WPAN网状自适应树路由算法[J]. 重庆大学学报, 2010.4, 33(4): 88-91, 97）；其基本思想是：将MAT划分为两层：第一层由根节点与子根节点（根节点的子节点）组成；第二层为子根节点为根的树（简称为子树）；同时，划分后的两层结构采用不同的路由算法——各层内部采用先应式路由（基于MAT的树路由），子树之间采用按需路由（该文采用传统的AODV协议）；该路由方法由于在子树之间寻路采用AODV协议，从而存在由泛洪引起的控制开销偏多和大量消耗网络资源的问题。同样以MAT为基础的TLMR（Two-level Mesh Routing）路由方法（参见文献：江禹生, 何芳, 宋香丽. 改进的WPAN mesh路由协议[J]. 计算机工程与应用, 2011.9, 47(9): 109-111）的基本思想是：将MAT和AODV协议结合，当在MAT路由表中没有发现到达目的节点的路由（包括最优路由及其它的非最优路由），则采用传统的AODV协议寻找路径；该路由方法仍然存在传统的AODV协议的缺点—泛洪过程引起的控制开销和资源消耗较大。

从上述文献内容反映出的研究现状来看，目前有关IEEE802.15.5标准的HR-WPAN部分规定的基于拓扑服务器的路由方法的研究，主要集中于如何更充分地利用树结构以及如何与其它协议结合使用等方面。然而，我们在研究中发现现有基于拓扑服务器的路由方法存在单播Link State Registration控制消息不能充分地发布网络拓扑信息、在控制消息的数量、内容和转发路径等方面存在冗余、在多路径情况下选路时没有考虑节点能量以至于难以实现节点能耗均衡等问题。具体为：

在链路状态信息注册阶段，现有路由方法在转发Link State Registration消息时在MAC子层采用的是单播方式，使发送节点通信范围内的除接收节点以外的邻居节点不能利用该Link State Registration消息中的有效的拓扑信息；在链路状态信息注册阶段，每个节点收到Link State Request消息后，立即回复Link State Registration消息给它的父节点，再由它的父辈节点们继续转发该消息直至到达MC节点；由于没有必要为每个节点单独转发Link State Registration消息到MC节点，因此该转发过程存在一定冗余的控制开销和时延开销；在最优路径建立阶段，最优路径上的中间节点在转发Route Formation消息时，将此条最优路径的完整路由信息进行转发，而随着转发过程的进行，越来越多的中继节点列表信息不再有用，因此在该过程中存在冗余的中继节点列表信息被转发的情况；在最优路径建立阶段，公共父节点将最优路径信息沿着树结构传送给目的节点，然后由目的节点将该信息沿着最优路径传送给源节点；而公共父节点将最优路 径信息沿着树结构直接传送给源节点的方式有可能开销更小，此时，现有方法在控制开销和寻路时延上存在一定冗余；在最优路径建立阶段，现有路由方法在计算最优路径时只考虑链路质量，当有多条可用路径时，选路过程中没有考虑节点的剩余能量。这些问题对网络性能存在重要影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提出一种新的适用于HR-WPAN Mesh网络高效路由方法。新路由方法采用广播Link State Registration消息、融合Link State Registration消息、缩短中继节点列表长度、自适应选路发布最优路径信息和基于节点剩余能量选路机制，解决现有基于拓扑服务器的路由方法单播控制消息不能充分发布网络拓扑信息、在控制消息的数量、内容和转发路径等方面存在一定冗余、在多路径情况下选路时没有考虑节点能量等问题；减少控制开销，缩短建路时间，均衡节点能耗，节约网络带宽，提高路由方法的效率、时延等性能并延长网络寿命。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种HR-WPAN Mesh网络的高效路由方法，包括：父节点（MC或MPNC）创建一个Link State Request消息，并将其广播给自己的子孙节点；节点收到由父节点发来的Link State Request消息，则创建一个Link State Registration消息（链路状态注册消息），在Link State Registration消息中为每个节点增加了一个表示节点能量等级的域，在目的节点域中填写父节点地址；在每个节点的Mesh子层建立一张节点剩余能量表，节点将自己的链路状态信息和剩余能量的等级装入此Link State Registration消息中，然后用MAC子层广播的方式发送；节点收到发给自己的Link State Registration消息，提取链路状态信息和剩余能量信息，保存到自己的链路注册信息表和节点剩余能量表中，并与发送缓存中的链路状态信息和节点剩余能量信息融合，生成新的Link State Registration消息并用MAC子层广播的方式发送，直至MC节点收到所有的子孙节点发来的Link State Registration消息；源节点选择源到目的节点最短路径中节点最少、剩余能量值最大的路径作为最优路径；节点获得最优路径信息后，采用“自适应选路发布最优路径信息”向源或目的节点发送最优路径信息；在传送最优路径信息时，“缩短中继节点列表长度”以减少转发开销；源节点通过最优路径发送数据分组到目的节点。

自适应选路发布最优路径信息具体为：公共父节点比较“公共父节点—源节点”和“公共父节点—目的节点—源节点”两条路径的开销，选择其中开销小的一条传送最优路径信息。

所述“缩短中继节点列表长度”具体为：在源、目的节点之间的最优路径 上传送最优路径信息的过程中，在中继节点列表中删除已收到中继节点列表的中继节点的节点信息，逐步缩短中继节点列表长度，直到源节点收到最优路径信息。

当源节点有数据分组要发送，先检查最优路径信息是否是由目的节点使用Route Formation消息发送；如果是，则通过查找路由表获得下一跳节点地址，然后向该下一跳节点转发数据分组。 如果源节点的最优路径信息是由源、目的节点的公共父节点直接发来，则源节点使用源路由的方式，将最优路径的中继节点列表装入数据分组中，由数据分组“捎带”发往目的节点。最优路径上的中继节点收到数据分组后，在中继节点列表中删除已收到中继节点列表的中继节点的节点信息，向中继节点列表指示的下一跳节点转发数据分组，直至数据分组被传送到目的节点。

本发明提出的路由方法在不影响HR-WPAN Mesh网络数据传输功能的前提下，能够减少控制消息的数量和转发次数，缩短控制消息的长度，加快最优路径的建立，均衡节点能耗；解决了现有基于拓扑服务器的路由方法单播控制消息不能充分发布网络拓扑信息、在控制消息的数量、内容和转发路径等方面存在一定冗余、在多路径情况下选路时没有考虑节点能量等问题；从而能够减少控制开销，缩短建路时间，均衡节点能耗，节约网络带宽，提高路由方法的效率、时延等性能并延长网络寿命。

附图说明

图1本发明路由方法流程图；

图2本发明融合Link State Registration消息操作流程；

图3本发明“缩短中继节点列表长度”操作流程；

图4本发明“自适应选路发布最优路径信息”操作流程；

图5本发明“基于节点剩余能量选路”操作流程。

具体实施方式

在HR-WPAN Mesh网络中，网状树结构中的节点周期性地采集本节点与邻居节点的链路状态信息（如链路质量，时延、跳数等，默认为跳数），且整个网络中的所有MPNC节点都可被选作拓扑服务器节点。一个可以作为mesh控制器MC（Mesh Coordinator）的MPNC节点发起链路状态信息注册过程，其中，MC可控制该mesh网络中所有的MPNC节点，也是此mesh网络所生成网状树的根节点。首先，MC节点创建一个链路请求消息Link State Request消息（可通过设置其Cost type项来规定所需的链路状态信息类型，设置其TTL值来控制每 个拓扑服务器节点保存的链路状态信息表的大小）。

如图1所示为本发明路由方法流程图。主要包括3个操作阶段，由链路状态信息注册、最优路径建立和数据分组传输三个阶段组成。其中，在链路状态信息注册阶段采用广播Link State Registration消息和融合Link State Registration消息两种工作机制；在链路状态信息注册和最优路径建立阶段基于节点剩余能量选路；在最优路径建立及数据分组传输阶段缩短中继节点列表长度并自适应选路发布最优路径信息。

具体包括如下步骤：

阶段一：链路状态信息注册

父节点（MC或MPNC）首先创建一个链路请求消息（Link State Request消息），并将其广播给自己的子孙节点。节点在MAC子层采用广播方式转发Link State Registration消息，Link State Registration消息的目的节点域填入父节点的地址。这样，既能让父节点继续转发Link State Registration消息，又能够使节点的所有邻居都获得Link State Registration消息中的链路状态信息，有利于在后续过程中更容易、更快速地建立最优路径。

节点如果收到由父节点（MC或MPNC）发来的Link State Request消息则创建一个Link State Registration消息，在该消息的目的节点域中填写父节点的地址，在Link State Registration消息中为每个节点增加了一个表示节点能量等级的域，并在每个节点的Mesh子层建立了一张节点剩余能量表，节点将自己的链路状态信息和剩余能量的等级装入此Link State Registration消息中，然后用MAC子层广播的方式发送；如果本节点不是边缘节点且存在子节点，则将收到的Link State Request消息广播给子节点。

节点融合其缓存中的Link State Registration消息。

节点收到发给自己的Link State Registration消息，提取链路状态信息和剩余能量信息，保存到自己的链路注册信息表和节点剩余能量表中，并与发送缓存中的链路状态信息和节点剩余能量信息融合，生成新的Link State Registration消息用MAC子层广播的方式发送。

如果一个节点收到Link State Registration消息，它先检查该消息是否是发给自己的；如果不是，则将该Link State Registration消息所含信息存储到链路注册信息表（用于存放子孙节点的链路状态信息）和节点剩余能量表中，不再转发。如果是发给自己的，则将该Link State Registration消息中所含的链路状态信息和剩余能量信息提取出来，保存到自己的链路注册信息表和节点剩余能量表中；接下来，检查发送缓存中有无其他子节点发来的Link State Registration消息；若 有，则将收到的和缓存的Link State Registration消息中的链路状态信息和节点剩余能量信息放到一个新生成的Link State Registration消息中；然后，将这个新的Link State Registration消息用MAC子层广播的方式发送给父节点；若无其他子节点发来的Link State Registration消息，则直接用MAC子层广播的方式将收到的Link State Registration消息发送给父节点。

这种融合Link State Registration消息的方法能够减少网络中Link State Registration消息的数量，减少控制开销，同时加快Link State Registration消息的传送，有利于降低最优路径的建路时延。

图2所示为“融合Link State Registration消息”操作流程。

可采用以下方式进行Link State Registration消息的融合，当节点MAC子层的发送缓冲区不为空时，待发送的Link State Registration消息都存储在Mesh子层的发送缓存中；当MAC子层的发送缓冲区为空时用跨层信息共享的方式通知Mesh子层下传Link State Registration消息到MAC子层。

当MC节点收到所有的子孙节点发来的Link State Registration消息，则整个HR-WPAN Mesh网络的链路状态信息注册过程完成，链路状态信息注册阶段结束。

阶段二：最优路径建立

源节点选择源到目的节点最短路径中节点最少、剩余能量值最大的路径作为最优路径。

当源节点有数据分组要发送时，首先查询自己保存的链路状态信息表中是否有目的节点信息；如果有，则源节点可通过最短路径算法计算源到目的节点的最短路径；若计算时出现多条最短路径，选择这些路径中节点最少剩余能量值最大的路径作为最优路径。通过计算得到最优路径信息（包含目的节点到源节点路径上的所有中继节点的列表）后，采用“自适应选路发布最优路径信息”向源或目的节点发送最优路径信息。源节点将根据它更新通往目的节点的路由表项。

如果源节点没有目的节点的信息，则创建一个Route Discovery消息，向源、目的节点的公共父节点发送Route Discovery（路径发现消息）消息，找到最优路径，并沿着已生成的网状树结构将其转发给自己的父节点。当节点收到子节点发来的Route Discovery消息后，先查询自己的链路状态信息表中是否有目的节点信息。如果有目的节点信息，说明当前节点就是源、目的节点的公共父节点，则计算源到目的节点的最优路径，并采用“自适应选路发布最优路径信息”向源或目的节点发送最优路径信息；如果当前节点没有目的节点信息，则转发 Route Discovery消息给父节点；父节点同样执行上述操作，直到找到从源节点到目的节点的最优路径并完成最优路径信息的发送。

图4为“自适应选路发布最优路径信息”流程。

自适应选路发布最优路径信息具体为：在最优路径建立阶段，公共父节点比较“公共父节点－源节点”和“公共父节点－目的节点－源节点”两条路径的开销，自适应选择其中开销小的一条来传送最优路径信息。同时，源、目的节点的公共父节点在计算最优路径时根据节点的剩余能量，当出现多条可选路径时，基于节点剩余能量，选择节点剩余能量大的路径，从而尽可能减少传送最优路径信息的控制开销，缩短最优路径建立时延。图5为“基于节点剩余能量选路”操作流程。如果目的节点收到源、目的节点的公共父节点发来的最优路径信息，则将该最优路径信息装入一个新生成的路径形成消息Route Formation消息，并沿着最优路径向源节点转发该Route Formation消息。

当最优路径信息在最优路径上传送时，采用“缩短中继节点列表长度”以减少转发开销。

图3所示为“缩短中继节点列表长度”操作流程。所述“缩短中继节点列表长度”具体为：在源、目的节点之间的最优路径上传送中继节点列表时，随着转发过程的进行删除相应中继节点列表中的节点（已收到中继节点列表的中继节点）信息，逐步缩短中继节点列表长度。直到源节点收到最优路径信息。收到中继节点列表的最优路径上的中继节点会从列表中删除自己的信息，然后再转发该列表，从而逐步缩短中继节点列表长度，减少控制开销。

阶段三：数据分组传输阶段

当源节点有数据分组要发送且最优路径信息已获得时，它先检查最优路径信息是否是由目的节点使用Route Formation消息发来，如果是，则通过查找路由表获得下一跳节点地址，然后向下一跳节点转发数据分组。

如果源节点的最优路径信息是由源、目的节点的公共父节点直接发来，则源节点会使用源路由的方式，将最优路径的中继节点列表装入数据分组中，由数据分组“捎带”发往目的节点。

最优路径上的中继节点收到数据分组后，先检查数据分组是否捎带有中继节点列表；如果有，则采用“缩短中继节点列表长度”缩短中继节点列表长度，减少控制开销，然后向中继节点列表指示的下一跳节点转发数据分组；如果没有，则查找路由表获得下一跳节点地址，然后向该节点转发数据分组。直至数据分组被传送到目的节点。

本发明上述方法适用于使用WPAN Mesh网络，尤其是HR-WPAN Mesh网 络的领域。以下以HR-WPAN Mesh网络为例对本发明的实施具体说明如下：

在HR-WPAN Mesh网络中，所有节点都具有信息接收和发送功能，MC或MPNC节点由电源（或电池）供电且处于静止（准静止）状态。所有MPNC周期性广播Beacon消息，并周期性地采集本节点与邻居节点的链路状态信息，且都可作为拓扑服务器节点。当一个节点需要传输数据分组给另一个节点，在链路注册信息阶段，节点可根据具体的网络需求被选为拓扑服务器，且Link State Request消息的TTL值根据具体的网络节点的存储能力和网络的大小确定，Link State Request消息中的Cost type项由具体的链路状态信息要求确定；节点剩余能量等级可以定为8级，用3位2进制数表示（2³=8），并由Link State Registration消息携带这3位的剩余能量信息。

与现有基于拓扑服务器的路由方法相比，本发明提出的高效的HR-WPAN Mesh网络路由方法能够以更少的控制开销更快速地建立最优路径，缩短数据分组传输时延，同时均衡节点能耗，节省网络带宽资源并延长网络寿命。

Claims (5)

1.一种高速无线个域网状网HR-WPAN Mesh网络的高效路由方法，其特征在于，包括以下步骤：节点收到由父节点发来的链路请求消息，创建链路状态注册消息，在链路状态注册消息中为每个节点增加了一个表示节点能量等级的域，在目的节点域中填写父节点地址；在每个节点的Mesh子层建立一张记录节点剩余能量的表；节点将自己的链路状态信息和节点剩余能量等级装入链路状态注册消息中，然后用介质访问控制MAC子层广播的方式发送；节点收到发给自己的链路状态注册消息后，提取链路状态信息和剩余能量信息，并与发送缓存中的链路状态信息和节点剩余能量信息融合，生成新的链路状态注册消息，用MAC子层广播的方式发送；直至父节点收到所有的子孙节点发来的链路状态注册消息；源节点选择源到目的节点最短路径中节点最少、剩余能量值最大的路径作为最优路径；节点获得最优路径信息后，采用自适应选路发布最优路径信息的方式向源或目的节点发送最优路径信息；在传送最优路径信息时，缩短中继节点列表长度以减少转发开销；源节点通过最优路径发送数据分组到目的节点。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自适应选路发布最优路径信息具体为：公共父节点比较“公共父节点—源节点”和“公共父节点—目的节点—源节点”两条路径的开销，选择其中开销小的一条传送最优路径信息。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缩短中继节点列表长度具体为：在源、目的节点之间的最优路径上传送最优路径信息的过程中，在中继节点列表中删除已收到中继节点列表的中继节点的节点信息，逐步缩短中继节点列表长度，直到源节点收到最优路径信息。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当源节点有数据分组要发送，先检查最优路径信息是否由目的节点使用路径形成消息发送，如果是，则通过查找路由表获得下一跳节点地址，然后向该下一跳节点转发数据分组。

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果源节点的最优路径信息是由源、目的节点的公共父节点直接发来，则将最优路径的中继节点列表装入数据分组中，由数据分组捎带发往目的节点；最优路径上的中继节点收到数据分组后，在中继节点列表中删除已收到该中继节点列表的节点的信息，然后向中继节点列表指示的下一跳节点转发数据分组，直至数据分组被传送到目的节点。